対流は、少なくとも 1 つの流体によって移流 (輸送–伝導) される熱伝達モードです。ただし、これらの用語は実際には不適切です。したがって、パスタの調理中、水は自発的に動き始めます。鍋の底に近い流体粒子のグループは加熱されて膨張し、そのため密度が低くなり (密度 を参照)、上昇します。鍋の表面にあるものは、温度の低い媒体と表面が接触することで冷却され、収縮して密度が増し、沈みます。熱は、他の 2 つの熱伝達モードである熱伝導または放射よりもはるかに効率的に伝達されます。
この非常に一般的な物理現象は、多くの系 (パン、地球マントル、星など) でさまざまな形で発生します。
対流現象
日常生活
- 火の上に置かれた鍋の動きは、加熱によって生じる密度の違いによって説明されます。水層の上部と下部の温度差が臨界値に達すると、流体は自発的に動き始めます。
- タバコや煙突の煙が立ち上るのは、燃焼により環境に対して非常に高温で非常に軽い領域が生じるためです。この流体ゾーンは、アルキメデスの推力の作用により上昇します。
- 床暖房も同じ原理です。部屋の底部にある暖かい層は、熱膨張により（相対的に）軽くなり、家の中に循環が生じます。
テクノロジー
地球物理学
雰囲気の中で
対流は地球の大気中で頻繁に起こる現象です。それは、太陽による地表の温暖化、比較的暖かい水域上での冷たい気団の移動、または大気層の上部に比べて下部の相対的な温暖化を引き起こすその他の現象によって引き起こされる可能性があります。
対流起源の雲のクラスには積雲という一般名が与えられます。
良性の対流は、グライダーやその他の動力のない航空機に、飛行を続けるために必要な上向きの推力を与えることができます。熱気球は、気球内に大量の熱気 (周囲の空気よりも密度が低い) を閉じ込めることにより、揚力の手段として対流も使用します。
上向きの対流運動には、対応する体積のより密度の高い（より冷たい）空気の下降運動が伴います。下降する空気の質量は上昇する空気の質量よりも大きくなります。したがって、システムの重心の低下があり、これは重力位置エネルギーの運動エネルギーへの変換として解釈できます。さらに、上昇する空気に十分な水蒸気が含まれている場合、空気は凝縮して潜熱を放出し、熱コントラストと対流推力が増加します。この変換に関係するエネルギー量は膨大になる可能性があり、強風、竜巻、ひょう、雷などを引き起こす可能性があります。この件に関する詳細については、雷雨に関する記事を参照してください。
海の中で
海は対流によって動かされる海流によって動かされます。メキシコ湾で加熱され蒸発した水は大西洋、メキシコ湾流に上昇し、北極の極冠に接触すると急激に冷えます。塩分と温度のせいで海の底に沈んでしまいます。
火山の中で
マグマだまり、燃えるような雲。
リソスフェアでは
小規模な対流、不安定化。
コートの中で
地球のマントルは岩石（多結晶集合体）で構成されており、地質学的時間スケール（百万年）では流体のように振る舞います。氷河が山腹を固体のまま流れるのと同じように、マントル内では大規模な対流が起こります。
この対流現象は、表面上のプレートの動きに関与していると考えられています。しかし、対流とプレートテクトニクスの関係はまだ議論中です。
マントル対流を参照
外核では
さらに深く、マントルの下には地球の核があります。それは金属シード(内核とも呼ばれ、圧力の影響で固まった一種の液体の集合体) で構成されており、これも金属ですが液体の状態を保つ厚いシェル、つまり外核に囲まれています。ここで、外核に含まれる液体は 2 つの固体の間に閉じ込められていると考えることができます。問題の外核は、異常な形をした神秘的な対流運動によって活発に動いています。異なる性質のいくつかの物理現象 (熱、機械、磁気) が協調して作用し、流体コアを活気づけます。簡単にするために、これらのさまざまな原因を個別に説明します。
これらすべての原因の中で最も単純かつ明白なのは、流体コア内で粒子の上昇を引き起こすアルキメデスの推力です。コア全体が冷却され、内コアと外コアの界面でゆっくりと結晶化します。流体の基部の所々で熱と光の要素が放出されます。これは周囲よりも軽いため (上記参照)、自然に対流を開始します。これは対流の一種であり、その熱的側面と化学的側面が互いに同じくらい重要です。私たちは熱化学対流について話します。
次に、他の 2 つの力が流体粒子の軌道を逸らすことで機構を装飾します。まずはコリオリの力。実際、それを取り囲むマントルの場合とは異なり、外部核を構成する流体の粘度は非常に低い（水の粘度に近い）。その結果、金属流体を封入するシェルは回転しているため (昼、夜、昼…)、上記の対流運動はコリオリ力の影響を非常に強く受けます。これは粘性力に比べて支配的となり、流体を多かれ少なかれ規則的に回転する柱に組織化させます。この段階では、上昇/下降する流体の塊が螺旋状の軌道で対流することを想像することで、炉心の対流を表現することができます(??シェル回転対流イメージ)。
次にラプラス力です。忘れないでください、ここで考慮されている流体は金属です。 (鉄 +ニッケル+ いくつかの軽元素 – 地球化学とのつながり?)。それは電気の非常に優れた伝導体であり、一種の帯電流体であり、まだ解明されていない水力磁気現象、特に私たちが地球の磁場に浸かっているダイナモ効果の中心です。しかし、一つだけ確かなことは、問題の現象は、（周囲の地球磁場の強さと前述した流れの勢いを考慮すると）十分に大きな磁力を炉心内に生じさせ、それらの磁力をも変化させるということである。 . ここで問題となる対流の動き。 (磁気対流像??)。外核の対流はさらに複雑になるようです。
参考文献:
- サイト: - ウィキ記事: - 本、論文:
天体物理学
星の動き。
物理原理
底部で加熱された流体の粒子は熱膨張により軽くなり、アルキメデスの推力の作用を受けて上昇します。層の最上部に到着すると、流体は熱を交換し、冷却されて重くなります。その後、下に戻り、熱の戻り伝達が発生します。
最初の物理的アプローチは、垂直方向の温度勾配にさらされた流体層内の対流の研究により、アンリ ベナールによって実装されました。これらの実験はベナール細胞として知られています。
対流には主に 2 つのタイプがあります。1 つは熱を運ぶ流体の移動が、熱源の密度異常により自発的に発生する自然対流です。強制対流: 流体の動きは外部アクターによって引き起こされます。
自然対流
自然対流は流体力学の現象であり、領域の温度が変化し、アルキメデスの浮力の影響で垂直に移動するときに発生します。実際、流体の温度変化はその密度に影響を与え、周囲の流体の密度に応じて変化します。
このような動きを対流運動といいます。それらは、たとえば、特定の海洋学 (海流)、気象学 (嵐)、地質学 (マグマの上昇) 現象の根源にあります。
レイリー・ベナール対流
これは、アンリ・ベナールとレイリー卿によって研究された教科書の事例です。簡単なシステムを考えます。
物理仮説
ブシネスク近似では、非圧縮性のニュートン流体を仮定します。つまり、変化する唯一の物理的特性は密度です。
保存方程式
- 質量の保存
- 運動量の保存
- 省エネ
対流の始まり
水平流体層内の熱伝達は、熱伝導と流体の移動によって発生します。層の表面間に温度勾配を加え始めると、温度勾配が確立されます。実験的には、一定時間が経過すると流体が自発的に動き始めることが観察されます。これが対流の始まりです。これは無次元数によって制御されます。
ρは密度、 gは重力、 α は熱膨張係数、 Δ T は層の上部と底部の温度差、 κ は熱拡散率、 η は特性動粘度です (注: これらの値は、流体中で変化しやすいため、特性量が使用されているかどうかを確認することが重要です）
開始は、自由表面の場合は 657.5、剛表面の場合は 1770 のレイリー数で実行されます。
対流パターン
ロール、セル、プルーム。
熱の流れ
対流における熱流の表現（ニュートンの法則）
ある温度での流れの場合
- $$ {\phi=h S \big(T_S – T_\infty \big)} $$
ここで、h は熱交換係数です
トラブルシューティング
次元解析により、強制対流においてヌッセルト数がレイノルズ数とプラントル数の関数として表されることを示すことができます。
- $$ {Nu_x=C{Re_x}^m Pr^n} $$、横軸 x のローカル ヌッセルト
- $$ {\overline{Nu_L}=C{Re_L}^m Pr^n} $$、長さLのミディアムヌッセルト
ここで、C、m、n は流体の特性、形状、流れの状況に依存します。
次にエンジニアは、熱交換係数を推定するために、典型的な構成 (平板、円筒周りの流れなど) に基づいて一連の経験式を確立します。
